3D打印高分辨率与高保真度水凝胶的生物墨水

时间：2025-08-04来源：点击次数：0次

本文研究开发了氧化甲基丙烯酸藻酸盐（OMA）水凝胶生物墨水，其具有剪切变稀和自修复特性，通过离子交联实现快速凝胶化，结合二次光交联增强稳定性。该生物墨水成功实现干细胞负载的3D 生物打印，能构建具有高分辨率（223-361μm）和高保真度（92-110%） 的复杂几何结构，包括首次无需支撑材料的悬垂结构。实验证实打印过程中人间充质干细胞（hMSCs）存活率高，且经4 周培养可分化形成功能性软骨组织，为复杂工程组织构建提供了有效平台。

1. 研究背景与挑战

·3D 生物打印是构建复杂组织结构的重要技术，但传统水凝胶生物墨水（如明胶、胶原等） 存在关键缺陷：无法快速稳定，导致打印结构分辨率低、保真度差，难以形成自支撑复杂结构。

·需求：开发兼具高打印精度、机械稳定性、细胞相容性的生物墨水。

2. 实验设计与方法

（1）OMA 合成

·原料：海藻酸钠经氧化（高碘酸钠）和甲基丙烯酸化（AEMA 偶联）修饰，形成双重交联位点的 OMA。

·表征：通过¹H NMR 确认氧化度（1-2%）和甲基丙烯酸化度（5-20%）。

（2）3D 打印机

·CELLINK BIO X生物3D打印机

Cellink BIO X 3D 打印机

（3）生物墨水制备

·钙交联：2% OMA 溶液与不同浓度 CaSO₄・2H₂O（0-210 mg/ml）混合，形成离子交联 OMA。

·细胞负载：hMSCs（第 3 代）悬浮于 OMA 溶液，浓度为5×10⁶ cells/ml。

（4）测试方法

·流变学检测：使用Kinexus ultra + 流变仪，评估剪切变稀、屈服应力、储能模量（G'）和损耗模量（G''）。

·打印性能分析：测量不同针头（22G、25G、27G）打印的丝直径，计算立方体结构（10×10×5 mm）的保真度。

·细胞活性：Live/Dead 染色检测打印后 hMSCs 存活率。

·软骨分化：4 周 chondrogenic 培养基培养，通过甲苯胺蓝染色和 GAG/DNA 定量评估。

3. 关键结果

（1）OMA 生物墨水特性

·流变学：具有剪切变稀特性（粘度随剪切速率增加而降低）、低剪切屈服应力（<5 Pa），可快速自修复（ cyclic 应变测试中 1 秒内恢复 G'）。

·双重交联：离子交联实现快速成型，光交联（20 mW/cm² UV 照射 1 min）增强长期稳定性。

（2）打印性能

·分辨率：不同针头打印丝直径如下表：

针头规格（G）	内径（μm）	打印丝直径（μm）	与内径比例
22	413	361	88%
25	260	260	100%
27	210	223	106%

·保真度：立方体结构打印保真度为92-110%，20G 与 22G 针头无显著差异。

·复杂结构：成功打印字母、同心环、UIC 标志、耳朵等，首次实现无支撑悬垂结构（如碗、桥、字母“K”）。

（3）细胞与组织形成

·细胞活性：打印和光交联后hMSCs 存活率高（Live/Dead 染色显示大量活细胞）。

·软骨分化：4 周培养后，甲苯胺蓝染色呈强阳性（紫色），出现软骨陷窝结构，GAG/DNA 含量显著高于对照组（p<0.05）。

4. 结论

·OMA 生物墨水通过剪切变稀、自修复和双重交联特性，解决了传统水凝胶的打印精度与稳定性问题。

·可实现高分辨率、高保真度的复杂结构打印，支持干细胞存活与分化，为复杂功能组织工程提供了高效平台。

关键问题：

OMA 生物墨水的核心特性是什么，如何解决传统水凝胶生物墨水的缺陷？
核心特性包括：①剪切变稀（低剪切应力下流动，便于挤出）；②快速自修复（移除剪切后迅速恢复机械强度，防止结构坍塌）；③双重交联（离子交联快速成型，光交联增强长期稳定性）。这些特性解决了传统水凝胶难以快速稳定、分辨率低、无法形成复杂自支撑结构的缺陷。

本研究在3D 生物打印的结构精度与复杂性方面有哪些突破？
突破包括：①高分辨率：27G 针头可打印直径 223μm 的丝，接近针头内径；②高保真度：立方体结构保真度达 92-110%；③复杂结构：成功打印字母、耳朵等，首次实现无需支撑材料的悬垂结构（如碗、桥），克服了传统水凝胶因机械不稳定无法打印悬垂结构的限制。

OMA 生物墨水在组织工程中的应用潜力体现在哪些方面？
应用潜力包括：①良好的细胞相容性，支持 hMSCs 存活；②可引导干细胞分化（如软骨分化），4 周内形成功能性软骨组织；③可独立调控生化（如细胞粘附性）和物理特性（如机械强度、降解速率），适应不同组织需求；④能打印临床相关尺寸的复杂结构，为器官再生提供可能。

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